再说成吉思汗和拖雷带领中路军秘密渡过锡尔河，越过基吉尔库姆大沙漠，实施远距离大纵深穿插迂回，于成吉思汗十五年（1220年）二月出其不意地抵达并包围了不花剌城。不花剌城分内城和外城，城周围还有大大小小的许多城堡，应该说是易守难攻。但是，国王摩诃末早被蒙古军的猛烈攻势吓破了胆，并没有组织有力的防御战，自己却仓皇逃跑了。成吉思汗命令速不台和哲别两员大将率军追赶，自己指挥主力攻打不花剌城。
部分守军拒绝投降，蒙古军便发起了猛烈的进攻，昼夜连续进攻数日，将这些守军全部消灭。其他守军见国王逃跑，也纷纷出逃。蒙古军乘胜追击，消灭大部溃逃守军于阿姆河畔。攻破不花剌城之后，成吉思汗下令毁城，不花剌城变成了一片废墟。不花剌一经陷落，花剌子模新、旧两都之间交通遂断，东西部互相支援也随之被切断，花剌子模国立刻呈现出瘫痪状态。
三月，察合台和窝阔台在攻占讹答剌城后，率军与成吉思汗会合。随后，成吉思汗挥军指向花剌子模国新都撒麻耳干。五月，蒙古各路大军兵临城下，对方守军不堪一击，撒麻耳干很快被蒙古军占领。成吉思汗下令屠城，撒麻耳干同样变成一片废墟。
摩诃末逃出不花剌城后，被速不台和哲别一路追赶，最后逃到了宽田吉思海（今里海）的一个小岛上。这是一个荒岛，要吃的没吃的，要喝的没喝的，再加上连日逃奔，摩诃末一病不起，于这年年底在绝望中死去。
摩诃末的长子叫札兰丁，他继承了父亲的王位，逃回到旧都玉龙杰赤，准备进行反扑。成吉思汗得知消息后，命自己的长子术赤和次子察合台率军前去攻打。
玉龙杰赤本来也是好打的，但由于术赤和察合台两兄弟意见不一，致使久攻不下。成吉思汗知道这一情况后，当机立断，派三子窝阔台前去担任前线总指挥，并于成吉思汗十六年（1221年）秋天攻克了这座城池。
摩诃末的儿子札兰丁虽然智勇双全，但父亲留给他的已经是一个不可收拾的烂摊子，纵然他有三头六臂，也没有了回天之力。再加上因为王位问题，皇室内部发生变乱，札兰丁内外交困，只得逃往呼罗珊（今阿姆河以南，大部分在今伊朗，一部分在今阿富汗的赫拉特和土库曼斯坦的马雷）。蒙古军紧追不放，把札兰丁逼到一个悬崖上。札兰丁骑着马，从悬崖上跃入印度河中。但是，札兰丁并没有被汹涌的河水淹死，而是骑在马背上，奇迹般地渡过了印度河，逃到印度去了。成吉思汗十九年（1224年），蒙古军撤兵后，札兰丁从印度回到波斯，重振军马，势力有所恢复。窝阔台汗三年（1231年），札兰丁在蒙古军紧紧追逼下，逃入库尔迪斯坦山中，后来被山民所杀。这是后话。
成吉思汗占领花剌子模国后，命令长子术赤驻守该国，并在各城设置督官，加强对该国的统治。他随后命速不台和哲别进攻太和岭（今高加索山）北部的钦察大草原，先后征服了钦察部族和斡罗思（今俄罗斯）的许多公国。成吉思汗十九年（1224年）秋天，成吉思汗下令班师，于第二年秋天回到蒙古土拉河行宫。至此，西征宣告结束。
成吉思汗为什么要班师呢？原因有三个：第一，随成吉思汗西征的忽兰夫人思乡心切；第二，花剌子模人不断袭击蒙古军，致使蒙古军不得安宁；第三，国内战事紧张。其中第三个是主要原因。
成吉思汗西征后，留下大将木华黎经略中原。蒙古军很快占领了黄河以北的广大地区。但是，成吉思汗十八年（1223年）三月，木华黎病死在军中，原来山东的一支农民起义军——红袄军转而反蒙，西夏国见蒙古大军西征远去，也与金国和好，共同对付蒙古军，致使蒙古军腹背受敌。基于这种情况，成吉思汗果断地下达了班师的命令。
关于成吉思汗西征的原因，表面上看是成吉思汗为了给自己的商队和使者报仇，实际上，这只是原因之一。从成吉思汗的个人品质和风格来看，他是一个从不满足的人，在统一蒙古之后，他的理想是向南统一整个中国，然后向西开辟更广阔的疆域，为他的子孙后代积累更多的财富。因此，商队惨案，正好为成吉思汗西征找了个借口，使他出师有名，将自己的统治延伸到欧亚大陆，这才是他西征的真正原因。
成吉思汗时代，是中国历史上版图最大的时代，他是世界历史上最伟大的战神之一，是真正的“一代天骄”。
